I nte rna t io na l J o urna l o f   Rec o nfig ura ble a nd   E m be dd e d Sy s t e m s     Vo l.  7 ,   No .   3 ,   No v em b er   2 0 1 8 ,   p p .   13 8 ~ 1 4 8   I SS N:  2 089 - 4 864 ,   DOI : 1 0 . 1 1 5 9 1 /i j r es . v7 . i3 . p p 138 - 1 4 8          138       J o ur na l ho m ep a g e :  h ttp : //ia e s co r e. co m/jo u r n a ls /in d ex . p h p / I JR E S /in d ex   Rea l  Ti m e  FP G A  I m ple m e ntatio n o f  P WM  Choppe r  Fed  Ca pa citor Run  In duction  M o tor       N.   M ura li 1 ,  V.   B a la j i 2   1 De p a rt m e n t  o f   El e c tri c a l  a n d   El e c tro n ics   En g i n e e rin g ,   S CS V M V  Un iv e rsit y ,   In d ia    2 EE E,   S a v e e th a   S c h o o l  o f   En g in e e rin g ,   S a v e e th a   In stit u te  o f   M e d ica l  &   T e c h n ica l  S c ien c e s,  In d ia       Art icle  I nfo     AB ST RAC T     A r ticle  his to r y:   R ec eiv ed   Au g   12 ,   2 0 1 8   R ev i s ed   Oct  1 3 ,   2 0 1 8   A cc ep ted   Oct  2 7 ,   2 0 1 8       T h is  p a p e r  p re se n ts  th e   p e rf o rm a n c e   e n h a n c e m e n t  o f   c a p a c it o r  ru n   in d u c ti o n   m o to r  b y   p u lse   w id th   m o d u late d   A C  c h o p p e r. T h e   p h a se   a n g le  c o n tro l  f a c e s   se v e r e   sh o rtf a ll   in   th e   p e rf o rm a n c e   im p ro v e m e n t  f o r  larg e r  tri g g e ri n g   a n g les .   In   th is  p a p e r  th e   c o m p a riso n   o f   p h a se   a n g le  c o n tro l  a n d   si n u so id a l  p u lse   w id th   m o d u latio n   tec h n i q u e   is  e n c o u n tere d   f o r  e ffe c ti v e   sp e e d   c o n tro l  o f  sin g le  p h a se   c a p a c it o r  ru n   i n d u c ti o n   m o to r.   T h e   n e c e ss a r y   p a ra m e ters   a r e   tak e n   in to   c o n sid e ra ti o n s  a re   h ig h e r  e ff icie n c y ,   les s e r  to tal  h a rm o n ic  d isto rti o n   a n d   h ig h   in p u t  p o w e r  f a c to r.   T h e   re su lt s  a re   c o m p a re d   b y   u sin g   th e   sim u latio n s  u sin g   m a tl a b   S i m u li n k   e n v iro n m e n t.   T h e   v a li d a ti o n   o f   re su lt   in   h a rd w a re   is  i m p le m e n ted   u sin g   F ield   p r o g ra m m a b le  g a te   a rra y   f o r  sin u so i d a l  p u lse   w id th   m o d u latio n   te c h n i q u e .   K ey w o r d :   E f f icien c y     Har m o n ic s     Mo d u latio n   i n d ex   P o w er   f ac to r   P u ls e  W id th   Mo d u latio n   Co p y rig h t  ©   2 0 1 8   In stit u te o f  A d v a n c e d   E n g i n e e rin g   a n d   S c ien c e .     Al l  rig h ts re se rv e d .   C o r r e s p o nd ing   A uth o r :   N.   Mu r ali ,     Dep ar t m en t o f   E lectr ical  an d   E lectr o n ics E n g i n ee r in g ,   SC SV MV   Un iv er s it y ,   I n d ia.   E m ail:  m u r al ib ee e@ g m a il.c o m       1.   I NT RO D UCT I O N     Sin g le  p h ase  in d u ctio n   m o to r   d r iv es  p lay   a  s ig n if ica n t  r o le  in   d o m esti c  an d   in d u s tr ial  ap p licatio n s .   T h e  s p ee d   co n tr o l  o f   i n d u ct io n   m o to r   is   w id el y   u s ed   in   all  ap p licatio n s .   A ll   th e   i n d u s tr ies  p r ef er   s in g le  p h as e   in d u ctio n   m o to r   co m p ar ed   to   o th er   m o to r   d r iv es   d u e  t o   less   co s t,   s i m p ler   co n tr o l   cir cu it s   an d   les s   m ai n ten a n ce .   T h e  co n v en tio n al  m et h o d   u tili ze s   i n te g r al  c y cle  co n tr o l  a n d   p h ase   co n tr o l  f o r   co n tr o llin g   t h e  s p ee d .   I n   i n te g r al  c y cle  c o n tr o l  th e  s in g le  p h ase  i n d u c t io n   m o to r   is   co n tr o lled   b u t  d u e  to   s u b   h ar m o n ic s   ca u s e s   lu m b er s   in   to r q u e  s p ee d   ch ar ac ter is tics   [ 1 ] .   T h e  m er i ts   o f   co n v en t io n al  co n tr o l  ar e  lo w   co s t  an d   ea s ier   co n tr o l.  T h e  d em er it s   o f   co n v en t io n al   co n tr o l  ar e  p o o r   p o w er   f ac to r ,   h ig h   h ar m o n ic  d is to r tio n   an d   n o n - s in u s o id al  v o lta g e  at  th e  in p u t.  T h e  s p ee d   co n tr o l   o f   ca p ac ito r   r u n   in d u ctio n   m o to r   d r iv es  f ed   f r o m   A C   ch o p p er   u tili ze s   d i f f er en t  to p o lo g ies  o f   p h a s e  co n tr o l  m et h o d s .   T h e  s e m ico n d u cto r   d ev ice   T R I AC   is   co n n ec ted   i n   t h e  m ai n   w in d i n g ,   T R I AC   co n n ec ted   i n   a u x ili ar y   w i n d in g   o f   m o to r   an d   a n t i - p ar allel  t h y r i s to r s   ar e  co n n ec ted   to   t h e  in p u t  s u p p ly .   T h e  p h a s e  co n tr o l i s   b ette r   co m p ar ed   to   s i n g le  p u l s e  w i d th   m o d u latio n ,   i t is   s h o w n   t h at  e f f icien c y   i s   s li g h tl y   b etter   i n   p h a s e  co n tr o l  th an   s i n g e  p u l s e  w id t h   m o d u latio n   tech n iq u e.   T h e  liter atu r e  s h o w s   th at  m u ltip le  p u ls e  w id t h   m o d u lat io n   g iv es  b etter   q u alit y   o u tp u t  th an   p h a s e  co n tr o l  m et h o d .   T h e  p er f o r m an ce   i s   d eter m i n ed   b y   g o o d   in p u t  p o w er   f ac to r ,   less   to tal   h ar m o n ic  d is to r tio n   o f   cu r r en t   an d   v o ltag e  a n d   i m p r o v e m en t   in   ef f icie n c y . T h e  s i n u s o id al  p u ls e  w id th   m o d u latio n   tech n iq u e  is   u ti lized   f o r   ef f ec tiv e  s p ee d   co n tr o l  an d   im p r o v e m e n t  i n   p er f o r m a n ce   p ar am eter s .   I n   th e  liter atu r e  T R I A C   co n n ec ted   in   au x i liar y   w in d i n g   g iv e s   b etter   o u tp u t  a t  lo w er   tr ig g er i n g   an g les.  At  lar g er   tr ig g er in g   a n g l es  th e   p o w er   f ac to r   is   p o o r ,   h ar m o n ic  d is to r tio n   v alu e  is   m o r e  an d   n o n - s i n u s o i d al  w a v ef o r m   at  t h e  i n p u t.  T R I A C   co n n ec ted   i n   au x i liar y   w i n d in g   o f   m o to r   is   n o t  s u i tab le  f o r   s p ee d   co n tr o l  d u e  to   th e  u n s tab le  o p er atio n   at  ce r tain   tr ig g er in g   an g le s   [ 8 ] .   T h e  m er its   o f   p u l s e  w id th   m o d u latio n   A C   ch o p p er   is   h i g h   e f f icie n c y ,   les s   h ar m o n ic  co n te n t s ,   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I J R E S      I SS N:  2089 - 4864     R ea l time   F P GA   I mp leme n ta ti o n   o f P W M C h o p p er fed   C a p a cito r   R u n   I n d u ctio n   Mo t o r   ( N .   Mu r a li )   139   ef f ec tiv e  b r ak i n g   o p er atio n   an d   im p r o v ed   p o w er   f ac to r   [ 2 ] .   T h e  co m m o n l y   u s ed   co n f i g u r a tio n   o f   AC - DC - AC   w h ic h   ar e  u s ed   in   v ar iab le  s p ee d   d r iv es,  FAC T S  co n tr o ller   an d   w i n d   tu r b in e s   ar e  r ep lace d   b y   AC – A C   co n v er ter   w it h o u t  DC   s o u r ce   [ 3 ] .   T h e  tu r n s   r atio   o f   s in g l e  p h ase  in d u ctio n   m o to r   is   tr ea ted   as  c o m p le x   q u an tit y   a n d   th e  co r r esp o n d in g   p er f o r m an ce   p ar a m e ter s   ar e  co m p u ted   [ 4 ] .   T h e  to p o lo g y   u s ed   is   s y m m etr ical   AC   v o ltag e   co n tr o ller   w h ic h   u til izes  t h r ee   s w itc h es.  T h e   p er f o r m an ce   is   e f f ec ti v e  f o r   d i m m er   lo ad s   a n d   in d u ctio n   h ea tin g ,   b u t  th e  lo w er   o r d er   h ar m o n ic s   is   p r esen t  in   t h e  o u tp u t  v o lta g e  [ 5 ] .   P W M  ch o p p er   r eq u ir es   s ec o n d   o r d er   f ilter   f o r   ef f ec ti v e  p er f o r m a n ce   u n d er   clo s ed   lo o p   co n tr o l.  T h e  clo s ed   lo o p   co n tr o l  w it h   f ilter   r ed u ce s   t h e  f l u ctu at io n   d u e  to   lo ad   v ar iatio n s   [ 6 ] .   T h e  ca p ac ito r   r u n   in d u ctio n   m o to r   i s   u s ed   as  b r ak i n g   u s i n g   tr iac  ac   v o lta g e  co n tr o ller .   T h e  i n h ib it in g   p u ls e s   o f   r ec ti f ier   ar e  a  f ail u r e  co m p ar ed   t o   d is co n n ec tio n   o f   au x i liar y   w i n d i n g   [ 7 ] .     AC   v o lta g e  r eg u lat io n   i s   i m p o r ta n t  asp ec t  i n   i n d u s tr y   an d   d o m e s tic  ap p licatio n s .   T h e  n e w   m at h e m a tical  m o d el  is   d er iv ed   an d   lo w   co s t  m o d el.   T h e  co n t r o ller   is   ch ec k ed   ef f ec ti v el y   w it h   I   an d   PI   co n tr o l  m ec h an i s m s   [ 9 ] .   T h e  d r a w b ac k   o f   A C   to   A C   co n v er ter   w it h   p h a s e  co n tr o l  i s   at  h ig h er   f ir i n g   a n g le s   th e  o u tp u t  w a v e f o r m   is   n o n - s i n u s o id al  an d   p o o r   p o w er   f ac to r .   T h is   p ap er   co m p ar es  th e  co n v en tio n a l   co n tr o lle r   w ith   ex tin c tio n   a n g le  co n tr o l  an d   s i n u s o id al  p u l s e  w id th   m o d u la tio n   [ 1 0 ] .   P W M  m et h o d   is   b etter   th an   p h a s e  an g le  co n tr o l  an d   th e  co n v er ter   p r o d u ce s   lo w   o r d er   h ar m o n ics  at  h ig h er   co n d u ctio n   an g le s   [ 1 1 ] .   T h e  co n v er ter   is   co n n ec ted   w i th   ca p ac ito r   b an k   to   r ed u ce   th e  to tal  h ar m o n ic  d is to r tio n .   A t   h ig h er   co n d u ctio n   an g le s   th e  d is to r tio n   f ac to r   in c r ea s ed   d u e  to   lo ad   [ 1 2 ] .   T h e  r eso n an t  d c  lin k   co n v er ter   o p er ates  at  ze r o   v o ltag e   an d   ze r o   cu r r en t  s w itc h i n g   lea d s   to   m o r e  e f f ic ien t.  C o m p ar e d   to   h ar d   s w itc h i n g   th e   d ela y ed   tr ig g er i n g   an g le   co n tr o l  g iv e s   b etter   o u tp u t  an d   u tili ze s   t h e  p ass i v e  lo ad   at  t h e  o u tp u t  [ 1 3 ] .   T h e  h ar m o n ic  eli m i n atio n   is   d o n e   th r o u g h   s i n u s o id al  p u l s e  w id t h   m o d u latio n   an d   g r ati f ies   th r o u g h   th e   a m p li tu d e  a n d   f r eq u en c y   m o d u latio n   [ 1 4 ] .   T R I A C   co n tr o l  i s   u til ize d   f o r   attain in g   b etter   to r q u e  ch ar ac ter is tics   f o r   s in g le  p h ase  i n d u ctio n   m o to r   an d   th e  r esu l ts   s h o w s   th a t  th e  o p ti m i m u m   ca p ac ito r   v alu e s   d eter m i n es  th e  to r q u e  an d   ef f icien c y .   T h e  lo w er   ca p ac ito r   s h o w s   b etter   p er f o r m an ce   co m p ar ed   to   h ig h   v a l u e  o f   c ap ac ito r .   T h e  o p er ati o n   is   n o i s y   d u e  to   th e  h ar m o n ic s   p r esen t  in   t h e  s y s te m   [ 1 5 ] .   T h e  T R I A C   co n tr o lled   s in g le  p h a s e  in d u c tio n   m o to r   ex p er ien ce s   th e  p u ls at in g   to r q u e  at  th e  o u tp u t.  T h e  s ig n i f ica n t  r ea s o n   is   p r o d u ctio n   o f   ev en   m u ltip les   o f   h ar m o n ic s   an d   th es e  ca n   b e  eli m i n ated   b y   c o n n ec ti n g   s u itab le  s h u n t  r esi s to r .   T h e  li m itatio n   o f   t h i s   m eth o d   is   t h e  p o w er   d is s ip atio n   a n d   lo s s es  ar e  m o r e  d u e  to   t h e  r esi s tan ce   [ 1 6 ] .   Pu ls e  w id th   m o d u latio n   o f   v ar i ab le  s p ee d   co n tr o l  o f   f a n   u t ilizes  t h e  ac   ch o p p er .   T h e  h ar m o n ics   i n   th e  o u tp u t  v o lta g e  is   m i n i m ized   b y   e m p lo y i n g   lo w   p as s   f ilter s .   T h e  d esig n   o f   co n tr o l  cir cu it  co m p o n en ts   is   co m p le x   an d   in   th e  p r esen t  p ae r   th e  a d v an ce d   f ea t u r es  o f   tr ig g er i n g   is   u s ed   [ 1 7 ] .   I n   th is   p ap er   p h ase  co n tr o l  o f   s p ee d   co n tr o l  m eth o d   is   co m p ar ed   w it h   s i n u s o id al  p u ls e  w id t h   m o d u latio n .   T h e  o p er atio n   an d   w o r k i n g   p r in cip le  o f   s i n u s o id al  p u ls e  w id t h   m o d u lat io n   i s   ex p lai n ed   alo n g   w it h   t h e  p u ls e  g e n er atio n   o b tain ed   b y   f ield   p r o g r a m m a b le  g ate  ar r a y .   I n   th e  co r r esp o n d in g   ch ap ter   th e  s i m u latio n   r es u lts   ar e  co m p ar ed   b et w ee n   p h ase  co n tr o l  m et h o d   an d   s i n u s o id al  p u ls e  w id t h   m o d u latio n   m et h o d .   T h e  w av e f o r m s   o b tain ed   f r o m   th e  h ar d w ar e  u s i n g   f ield   p r o g r a m m ab le  g a te  ar r ay   f o r   t h e  s i n u s o id al   p u ls e  w id t h   m o d u la tio n .       2.   AC  VO L T AG E   CO N T RO L L E R     2 . 1 .     P ha s e  Ang le  Co ntr o l   I n   p h ase  an g le  co n tr o l,  th e  t w o   s ilico n   co n tr o lled   r ec tif ier   ar e  co n n ec ted   in   an ti - p ar allel   is   u s ed   as  th e  to p o lo g y   o f   A C   v o lta g e  c o n tr o ller .   T h e  o u tp u t  o f   AC   v o ltag e  co n tr o ller   is   co n n ec ted   to   th e  s i n g le  p h a s e   ca p ac ito r   r u n   in d u ctio n   m o to r .   T h e  tr ig g er in g   p u ls es  g e n er at ed   f o r   th e  t w o   th y r is to r s   ar e  alter n ati n g   i n   n atu r e.     Fo r   th e  p er io d   o f   p o s itiv e  h al f   cy c le  th y r is to r   T 1   is   in   f o r w a r d   b ias  an d   s tar ts   co n d u ctin g   w h e n   th e  g a te  s i g n al   is   av ailab le,   w h ile  t h e  th y r is to r   T 2   is   in   r ev er s ed   b ias co n d iti o n .   A t 1 8 0   d eg r ee s   th y r is to r s   n ee d   to   b e  s w itc h ed   o f f   b y   n at u r al  co m m u tatio n .   B u t  d u e  to   th e  m o to r   lo ad   th e  cu r r en t  co n ti n u e  to   f lo w .   Fo r   th e  p er io d   o f   n eg at iv e  h a lf   c y cle  t h y r i s to r   T 2   is   in   f o r w ar d   b ias  an d   s ta r ts   co n d u ctin g   w h e n   th e  g ate   s ig n al  is   a v ailab le,   w h il e  t h e  th y r is to r   T 1   is   in   r ev er s ed   b ias  co n d itio n .   A t  3 6 0   d eg r ee s   th y r i s to r s   n ee d   to   b e  s w itc h ed   o f f   b y   n atu r al  co m m u tatio n .   B u t  d u e  to   th e  m o to r   lo ad   th e  cu r r en t  co n ti n u e  to   f lo w .   B id ir es tio n al  A C   v o ltag e   co n tr o ller   as sh o w n   in   Fig u r e  1 .       Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 0 8 9 - 4 864     I J R E S Vo l.  7 ,   No .   3 ,   N o v e m b er   2 0 1 8   :   13 8   –   14 8   140       Fig u r e  1 .   B id ir esti o n al  AC   v o l tag e  co n tr o ller       2 . 2 .   Si nu s o ida l P uls e  Wi dth  M o du la t io n   T h e  A C   v o lta g e  co n tr o ller   u s es  d if f er en t   to p o lo g y   f o r   th e  i m p r o v e m e n t  in   p er f o r m an ce   p ar am eter s   o f   ca p ac ito r   r u n   in d u ctio n   m o to r .   T h is   to p o lo g y   u s es  f o u r   d io d es  an d   m a in   d ev ice  I GB T   S1   is   e m p lo y ed   f o r   co n d u cti n g   i n   b o th   p o s iti v e  h alf   an d   n eg a tiv e  h al f   c y c le.   F o r   th e  f r ee w h ee lin g   ac tio n   it  e m p lo y s   f o u r   d io d es  an d   o n e  au x iliar y   d ev ice  I GB T   S2 .   T h e  tr ig g er in g   s ig n a l  is   to   b e  g en er ated   f o r   th e   m ai n   s w itc h   an d   f r ee w h ee l in g   s w itc h .   Fo r   th e  p er io d   o f   p o s itiv e  h alf   c y cle  th e  cu r r en t  f lo w s   th r o u g h   d io d e  D1 ,   s w itc h   S1 ,   d io d e  D4   an d   c o n n ec ted   to   th e  ca p ac ito r   r u n   in d u ctio n   m o to r   an d   r etu r n   to   th e  s u p p l y .   Fo r   th e  p er io d   o f   n eg at iv e   h al f   c y cle  t h e  c u r r en t  f lo w s   t h r o u g h   ca p ac ito r   r u n   in d u ctio n   m o to r ,   d io d e  D3 ,   s w itc h   S1 ,   d io d e  D2   an d   co n n ec ted   s u p p l y   v o lta g e .   Fo r   th e  p er io d   o f   p o s itiv e  h alf   c y cle  t h e  f r ee w h ee li n g   ac tio n   tak e s   th r o u g h   th e  p ath   lo ad ,   D3 ’ ,   s w itc h   S2 ,   D2 ’ an d   b ac k   to   lo ad .   Fo r   th e  p er io d   o f   n eg ativ e  h al f   c y cl e  th e  f r ee w h ee l in g   ac tio n   tak e s   th r o u g h   th e  p at h   l o ad ,   D1 ’ ,   s w itc h   S2 ,   D4 ’ a n d   b ac k   to   lo ad .           Fig u r e  2 .  Sin u s o id al  P u ls e  W i d th   Mo d u latio n   AC   v o lta g e  co n tr o ller       T h e  o u tp u t  o f   s i n u s o id al  p u ls e  w id t h   m o d u latio n   AC   v o lta g e  co n tr o ller   u n d er   id ea l  co n d itio n s   i s   tak en   a s   Vo   an d   I o .   T h e  p u ls e  w id t h   h a s   t w o   s p ec i f ic  lev e ls   i)   h ig h   le v el  d en o ted   b y   V H   an d   ii)  lo w   le v el  i s   d en o ted   b y   V L .   T h e  lo w   le v e l  v alu e  is   co n s id er ed   as  ze r o   v o lts .   V m   a n d   I m   ar e  co r r es p o n d in g   m ax i m u m   v alu e s   o f   v o ltag e  a n d   cu r r en t.     ) ( 0 t Si n V V m =   ( 1 )     ) ( 0 t Si n I I m =   ( 2 )     T h e  o u tp u t v o lta g e  is   ex p r es s e d   in   Fo u r ier   s er ies as     = = + + = 1 1 0 0 s i n c o s 2 ) ( n n n n L t n b L t n a a t V     ( 3 )     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I J R E S      I SS N:  2089 - 4864     R ea l time   F P GA   I mp leme n ta ti o n   o f P W M C h o p p er fed   C a p a cito r   R u n   I n d u ctio n   Mo t o r   ( N .   Mu r a li )   141   T h e  ter m   L = ti m e  p er io d / 2     T h e  ter m   a o   co r r esp o n d s   to   d c  o f f s et  co m p o n e n t   an d   t h e  ter m   a n   an d   b n   co r r esp o n d s   to   n th   h ar m o n ic  f r eq u e n c y   co m p o n e n t.     .. 3 , 2 , 1 , c o s ) ( 1 = = − n t d L t n t V L a L L o n    ( 4 )     .. 3 , 2 , 1 , s i n ) ( 1 = = − n t d L t n t V L b L L o n    ( 5 )     Fo r   o u r   ca lcu latio n s   th e  v al u e  o f   L   i s   tak e n   as 1 .   T h e  P W M  s ig n a l is d ef i n ed   as     − − − = 1 , 0 , 1 , 0 ) ( 0 t D D t D V D t t V H   ( 6)     I n   th e  an al y s i s   th e  ev e n   h ar m o n ic  co m p o n e n ts   ar e  r e m o v ed   b y   w av e f o r m   s y m m e tr y   an d   o d d   h ar m o n i c   co m p o n e n t s   ar e  tak e n   in to   ac c o u n t.  T h e  g e n er alize d   a m p lit u d e  o f   h ar m o n ic  co m p o n en t a n   is   ill u s tr ated   b y     ( ) D n V a H n s i n 2 =   ( 7 )     W h er e  D  is   th e  d u t y   c y cle  an d   o d d   h ar m o n ic  co m p o n en ts   n = 3 ,   5 ,   7   T h e  to tal  h ar m o n ic  d is to r tio n   o f   o u tp u t  v o ltag e  a n d   cu r r en t i s   g i v en   a s       1 3 2 V V T H D n on v = =   ( 8 )     1 3 2 I I T H D n on i = =   ( 9)     2 . 3 .   I m ple m ent a t io n o f   Sin us o ida l P WM   us ing   F P G A   T h e  p u ls e  g en er atio n   o f   s i n u s o id al  p u ls e  w id th   m o d u latio n   is   o b tain ed   b y   f ield   p r o g r a m m ab le  g at e   ar r ay .   T h e  VHDL   la n g u a g e   is   u s ed   to   p r o g r am   s i n u s o id al  p u ls e  w id th   m o d u latio n   f o r   A C   c h o p p er .   T h e  p u ls es  o u tp u t  f r o m   FP G A  k it  h as  to   b e  is o lated   f r o m   th e  p o w er   cir cu it  h en ce   t h e  o p to co u p ler   is   u s ed   f o r   th is   p u r p o s e.   A   s u itab le  ze r o   cr o s s in g   cir cu it  is   u s ed   to   s en s e  th e  ze r o   cr o s s in g   o f   th e  w a v ef o r m .   T h e  p o w er   s w itc h   r eq u ir es  a  d r iv er   cir cu it  to   en a b le  to   g et  co r r ec t   p u ls e  o u tp u t  an d   th e  n ec es s ar y   a m p licatio n   is   d o n e   th r o u g h   it.  F ig u r e  3   s h o w s   co n tr o l c ir cu it u s in g   FP G A .       Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 0 8 9 - 4 864     I J R E S Vo l.  7 ,   No .   3 ,   N o v e m b er   2 0 1 8   :   13 8   –   14 8   142       Fig u r e  3 .   C o n tr o l  cir cu it  u s i n g   FP GA       3.   RE SU L T S  A ND  AN AL Y SI S     T h is   s ec tio n s   p r ese n ts   p er f o r m an ce   en h a n ce m en t   o f   ca p ac ito r   r u n   in d u ctio n   m o to r   u s i n g   d i f f er e n t   tech n iq u es  li k e  p h ase  an g le  co n tr o l  an d   s in u s o id al  p u ls e   w id th   m o d u latio n   tech n iq u e .   T h e  co m p ar ativ e   an al y s is   o b tain ed   b y   s i m u lati o n   u s i n g   m a tlab   Si m u li n k   en v ir o n m e n t.  T h e  e x p er i m e n tal  r esu lt s   ar e  co m p u ted   f o r   s in u s o id al  p u l s e  w id t h   m o d u latio n   tech n iq u e  a n d   co m p ar ed   w it h   s i m u latio n   r es u lt s .   T h e  ca p ac ito r   r u n   in d u ctio n   m o to r   is   u s ed   as t h e  lo ad .   I t is ex e m p li f ied   b y   1   Hp ,   2 3 0 V,   5 . 2   A ,   1 4 4 0   r p m   a n d   1 2 . 5   m icr o   f ar ad   as  r u n n i n g   ca p ac ito r .   T h e  m o to r   is   co u p led   to   th e  m ec h an i ca l  lo ad   to   ac h iev e  v ar iab le  s p ee d   o p e r atio n .   T h e  m o to r   p ar am e ter s   ar e  R m =7 . 5 5   Ω ,   Xm =5 . 1 Ω ,   R r =8 . 3 Ω ,   Xr = 5 . 1 Ω ,   R a= 1 0 Ω ,   Xa= 1 0 Ω   an d   X m m =0 . 3 2 4 Ω .   T h e  r esu l ts   ar e  o b tain ed   f o r   b id ir ec tio n al   a c  v o lta g e  co n tr o ller   a n d   s i n u s o id al  p u ls e   w id th   m o d u latio n .   T h e  w av e f o r m s   w h ic h   ar e  d ep icted   b elo w   ar e  ef f icien c y ,   i n p u t   p o w er   f ac to r ,   to tal  cu r r e n t   h ar m o n ic  d is to r tio n   a n d   to tal  v o ltag e  h ar m o n ic  d is to r tio n .   T h e  s i m u la tio n   is   e x h ib ited   f o r   th e  T R I AC   co n tr o l  an d   th e  F ig u r e  4   r ep r esen ts   v ar iat io n   o f   f ir i n g   an g le s   w it h   p o w er   f ac to r .   Th e  F ig u r e  5   r ep r esen ts   p o w er   f a cto r   v er s u s   d u t y   c y cle .  I t  is   in f er r ed   th at  at  lo w er   f ir in g   a n g les  f r o m   0   to   6 0   d eg r ee s   th e  p o w er   f ac to r   is   0 . 8 .   W h en   t h e  f ir in g   a n g le  in cr ea s es  th e  p o w er   f ac to r   is   lo w .   T h e  r ea s o n   is   d u e  to   u n - s y m m etr ic  v o lta g e  an d   cu r r en t  w a v e f o r m s   at  h i g h er   f ir in g   an g les.       0 30 60 90 120 150 180 0 .0 0 .2 0 .4 0 .6 0 .8 Po w e rf a ct o r F i ri n g   Ang l e   (D e g re e s)   Pow e rf a ct o r     Fig u r e  4 .  P o w er f ac to r   v er s u s   f ir in g   a n g le   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I J R E S      I SS N:  2089 - 4864     R ea l time   F P GA   I mp leme n ta ti o n   o f P W M C h o p p er fed   C a p a cito r   R u n   I n d u ctio n   Mo t o r   ( N .   Mu r a li )   143   0 .5 0 .6 0 .7 0 .8 0 .9 1 .0 0 .0 0 .1 0 .2 0 .3 0 .4 0 .5 0 .6 0 .7 0 .8 0 .9 1 .0 Po w e rf a ct o r D u t y   C y cl e   Si m u l a t i o n   Ex p e ri m e n t a l     Fig u r e  5 .  P o w er f ac to r   v er s u s   d u t y   c y cle       T h e  ex p er i m en tal  r es u lts   ar e  o b tain ed   u s i n g   f o r   s in u s o id al  p u ls e  w id t h   m o d u latio n   tec h n iq u e  u s i n g   FP GA .   T h e  F ig u r e  8   r ep r esen ts   th e  s i m u lated   a n d   ex p er i m e n tal  r es u lt  o f   s in u s o id al  p u l s e  w id t h   m o d u latio n .   T h e  s i m u lated   g r ap h   i n   m ar k ed   in   b lack   an d   e x p er i m e n tal  g r ap h   is   o b tai n ed   in   r ed .   Fo r   d if f er e n t  d u t y   r atio   th e  p o w er   f ac to r   is   o b tai n ed   at  th e   in p u t  o f   ca p ac ito r   r u n   i n d u ctio n   m o to r .   T h e  p o w er   f ac to r   v ar iatio n s   ar e   s tead y   at  all  d u t y   c y cle  an d   s l ig h tl y   lo w   at  0 . 5   d u t y   c y cle.   I t  is   in f er r ed   th at  cu r r e n t  an d   v o ltag e  w a v e f o r m s   h av e  le s s er   p h a s e  d if f er en ce .     T h e  Fig u r e  6   is   e x p lai n ed   as  m o to r   in p u t  c u r r en t  o f   to tal  h a r m o n ic  d i s to r tio n   w it h   v ar iati o n   in   f ir in g   an g le s .   T h e  d is to r tio n   is   w i t h in   t h e  li m i t  o f   I E E E   s tan d ar d s   an d   is   ex h ib ited   till   th e  f ir in g   an g les  o f   6 0   d eg r ee s .   T h e  n o n - lin ea r it y   i n   cu r r en t  h ar m o n ic s   is   u n v eile d   g r ea ter   th an   6 0   d eg r ee s .   T h e  p o w er   q u alit y   i s   p o o r   d u e  to   ca p ac ito r   r u n   in d u ctio n   m o to r   lo ad ,   an d   t h e  co r r esp o n d in g   i n d u cti v e  e n er g y   r e q u ir es  an o t h er   p ath   to   f r ee   w h ee l a n d   d is s ip atin g   t h e  en er g y .       0 30 60 90 120 150 180 0 20 40 60 80 100 120 140 160 T H D   cu rre n t   (% ) F i ri n g   Ang l e   (D e g re e s)   T H D   cu rre n t     Fig u r e  6 .  %T HD  cu r r en t v er s u s   f ir i n g   a n g le       T h e  Fig u r e  7   ep ito m izes  t h e  m o to r   in p u t   cu r r en t  h ar m o n ic s   w it h   r esp ec t  to   d u t y   c y cle  o f   s i n u s o id al   p u ls e  w id t h   m o d u la tio n .   T h e  s i m u latio n   a n d   ex p er i m en tal  r es u lts   ar e  s h o w i n g   s i m ilar   r esp o n s e.   Fro m   th e  F i g u r e  5   it  i s   i n f e r r ed   th at  p o w er   f ac to r   d ec r ea s es  as  t h e  tr i g g er in g   a n g le   in cr ea s es.  D u e  to   th e  d y n a m ic  m o to r   lo ad   w h e n   th e  p o w er   f ac to r   d ec r ea s es  th e  cu r r en t  h ar m o n ics  i n cr e ases   to   h i g h   v al u e.   T h e  cu r r en t  w av e f o r m s   h av e  h ig h   d is to r tio n   a n d   lead s   to   u n s u itab le  f o r   s p ee d   co n tr o l  as  th e  m ac h in e  d er ati n g   in cr ea s es.  T h e  p h ase  co n tr o l is   s u p er io r   till   th e  tr i g g er i n g   an g le  o f   6 0   d eg r ee s   co m p ar ed   to   P W M  co n tr o l.   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 0 8 9 - 4 864     I J R E S Vo l.  7 ,   No .   3 ,   N o v e m b er   2 0 1 8   :   13 8   –   14 8   144   0 .5 0 .6 0 .7 0 .8 0 .9 1 .0 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 T H D   C u rre n t   (% ) D u t y   C y cl e   Si m u l a t i o n   Ex p e ri m e n t a l     Fig u r e  7 .  T HD  cu r r en t v er s u s   d u t y   c y cle       T he   F ig u r e  8   d em o n s tr ate s   th e  m o to r   v o ltag e  h ar m o n ics  o f   p h ase  co n tr o l  m et h o d   w it h   d if f er e n t   tr ig g er i n g   an g les.  T h e  h ar m o n ics  is   w it h i n   th e  s p ec if ied   li m i ts   u n til  6 0   d eg r ee s   an d   it  r is es   to   v er y   h i g h   v al u e   d u e  to   d y n a m ic  m o to r   lo ad .   I t  is   s u b j ec tiv e  t h at  c u r r en t  h ar m o n ic s   ar e  h i g h   v al u e  d u e  to   f o r ce d   co m m u tatio n   o f   th e  p o w er   s w i tch e s   in   t h e  c o n v er ter .   C o n v er s el y   th e  h i g h er   o r d e r   h ar m o n ics  ar e  m o v ed   to   lar g er   s w itc h i n g   f r eq u en c y   a n d   ea s il y   f il ter ed   b y   p ass i v e  f ilter s .       0 30 60 90 120 150 180 0 50 100 150 200 250 300 T H D   Vo l t a g e   (% ) F i ri n g   Ang l e   (D e g re e s)   T H D   Vol t a g e     Fig u r e  8 .  %T HD   v o ltag e  v er s u s   f ir in g   a n g le       T h e  Fig u r e  9   ep ito m izes t h e  m o to r   in p u t v o lta g e  h ar m o n ic s   w it h   r esp ec t to   d u t y   c y cle  o f   s i n u s o id al  p u ls e  w id t h   m o d u la tio n .   Fo r   h ig h er   d u t y   c y cle  t h e  a m p lit u d e   o f   h ar m o n ic  co n te n t is le s s . T h e  P W M  m et h o d   s h o w s   b etter   p o w er   q u al it y   t h a n   p h ase  co n tr o l.   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I J R E S      I SS N:  2089 - 4864     R ea l time   F P GA   I mp leme n ta ti o n   o f P W M C h o p p er fed   C a p a cito r   R u n   I n d u ctio n   Mo t o r   ( N .   Mu r a li )   145   0 .5 0 .6 0 .7 0 .8 0 .9 1 .0 0 3 6 9 12 15 18 21 24 27 30 T H D   Vo l t a g e   (% ) D u t y   C y cl e   Si m u l a t i o n   Ex p e ri m e n t a l     Fig u r e  9 .  % T HD  v o ltag e  v er s u s   d u t y   c y cle       T h e  F ig u r e  1 0   p o r tr ay s   ca p a cito r   r u n   i n d u c tio n   m o to r   ef f icie n c y   f o r   d iv er s e  tr i g g er i n g   a n g le s .   A t  lo w er   f ir in g   an g le s   th e  e f f icien c y   i s   n ea r   8 0 %,  b u t  th e  v al u e   is   le s s er   f o r   h i g h er   tr ig g er i n g   a n g les.   T h e  r ea s o n   is   d u e  to   in cr ea s ed   co p p er   lo s s es a t la r g er   tr ig g er in g   a n g les.     T h e  Fig u r e  1 1   ex p lai n s   ca p ac ito r   r u n   in d u ctio n   m o to r   e f f icien c y   f o r   v ar iatio n s   o f   d u t y   c y c le.   T h e  ef f ic ien c y   i s   n ea r   8 0 %  f o r   th e  m o s t  o f   t h e   d u t y   c y cle.   T h e  ef f ic ien c y   i s   b etter   co m p ar ed   to   p h ase  an g l e   co n tr o l  m et h o d .   T h e  Fig u r e   1 2   s ig n i f ie s   r ea l  ti m e  e x p er i m en tal  d ata  o b tain ed   f o r   t h e  d u t y   c y cle  0 . 5 .   T h e  s in u s o id al  p w m   p ar a m ete r s   ar e  av ailab le  in   t h e  Fi g u r e   12 .   T h e  Fig u r e  1 3   s p ec if ies  th e  r ea l  ti m e  s p ec tr a  o f   to tal  h ar m o n ic  d is to r tio n   o f   v o ltag e  w a v ef o r m   f o r   th e  s i n u s o id al  P W M  tech n iq u e.   T h e  Fig u r e  1 4   s p ec if ies  t h e  ex p er i m e n tal  s e tu p   f o r   s p ee d   co n tr o l  o f   ca p ac ito r   r u n   in d u ctio n   m o to r   w i th   F P GA   co n tr o l  o f   ac   v o ltag e  co n tr o ller .   T h e  Fig u r e  1 5   s p ec if ies  t h e  VHD L   p r o g r am m i n g   f o r   p u ls e  g e n er atio n   u s in g   FP G A .   T h e  p r o g r am m in g   w a s   o b tain ed   u s i n g   Xil in x   p lat f o r m .       0 30 60 90 120 150 180 0 20 40 60 80 Ef f i ci e n cy  (% ) F i ri n g   Ang l e   (D e g re e s)   Ef f i ci e n cy   0 .5 0 .6 0 .7 0 .8 0 .9 1 .0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 Ef f i ci e n cy  (% ) D u t y   C y cl e   Si m u l a t i o n   Ex p e ri m e n t a l   Fig u r e  10 .  %   E f f icie n c y   v er s u s   f ir i n g   a n g le   Fig u r e  11 .  %Ef f ic ien c y   v er s u s   d u t y   c y c le     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 0 8 9 - 4 864     I J R E S Vo l.  7 ,   No .   3 ,   N o v e m b er   2 0 1 8   :   13 8   –   14 8   146       Fig u r e  12 .  E x p er im e n tal  p ar a m eter s   d etail s   at  0 . 5   d u t y   c y cl e           Fig u r e  13 .  Har m o n ic  Sp ec tr a  in   h ar d w ar e  a t 0 . 5   d u ty   c y cle       Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I J R E S      I SS N:  2089 - 4864     R ea l time   F P GA   I mp leme n ta ti o n   o f P W M C h o p p er fed   C a p a cito r   R u n   I n d u ctio n   Mo t o r   ( N .   Mu r a li )   147       Fig u r e  14 .  E x p er im e n tal  s etu p   o f  AC   ch o p p er   f ed   ca p ac ito r   r u n   i n d u ct io n   m o to r   u s i n g   FP GA           Fig u r e  15 .  P u ls e  g en er atio n   u s in g   Xili n x   FP GA       4.   CO NC LUSIO N   T h e  PW M  ch o p p e r   f ed   ca p ac ito r   r u n   in d u ct io n   m o to r   is   i m p e le m e n ted   in   h ar d w ar e  u s i n g   FP G A .   T h e  p r o p o s ed   co n tr o l  h as  i m p r o v ed   p er f o r m a n ce   p ar a m eter s   co m p ar ed   to   co n v en tio n al  p h ase  a n g le  co n tr o l.  T h e  ef f ic ien c y   a n d   p o w er   f ac to r   h as  i m p r o v ed   co m p ar e d   to   p h ase  a n g le   co n tr o l.  T h e  to tal  h ar m o n ic  d is to r tio n s   o f   c u r r en t  an d   v o ltag e  ar e  s lig h tl y   h ig h er   v a lu e  co m p ar ed   to   I E E E   s tan d ar d s .   T h is   ca n   b e   en h a n ce d   b y   s u i tab le  h ar m o n ic  eli m i n atic  tec h n iq u es  f o r   th e  e f f ec ti v e  o p er atio n   o f   ca p ac ito r   r u n     in d u ctio n   m o to r .   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.